Серверы последовательных интерфейсов: пошаговая инструкция by СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ журнал

ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Иван Лопухов

Серверы последовательных интерфейсов: пошаговая инструкция В ВЕДЕНИЕ С распространением Ethernet в промышленной сфере воз никла тенденция к унификации сети для управления не только рабочими станциями, но и самой разнообразной электроникой. Ethernet постепенно вытесняет специфичес кие промышленные интерфейсы, в том числе весьма распро странённые последовательные интерфейсы RS 232/422/485. На новых образцах промышленных средств автоматизации всё чаще можно заметить сетевой порт LAN. Тем не менее множество средств автоматизации с поддержкой последова тельных интерфейсов ещё находится в использовании и про должает выпускаться серийно, в связи с чем становится акту альной задача «бесшовного» сопряжения последовательных интерфейсов и сетей Ethernet. Оборудование для этой задачи принято называть серверами последовательных интерфей сов (СПИ). О них и схемах применения СПИ рассказывает ся далее.

диапазоне. СПИ является логичным решением для ком пактных стационарных рабочих станций с Ethernet пор том. Сетевые задачи также решаются рядом методов. Для удли нения последовательного интерфейса не обязательно преоб разовывать RS 232/422/485 в Ethernet. RS 232 можно удли нить по RS 422/485 для передачи и в электрической, и в оп тической среде на расстояния в 10 и более километров. Уст ройства с интерфейсом RS 485 могут объединяться электри ческим или оптическим кабелем в сеть с топологией «шина» или «резервированное кольцо», например, с помощью опти ко электрических преобразователей Hirschmann OZD и EtherWAN FT5702. Минусы данного решения – необходи мость выделенной кабельной структуры и сложность адми нистрирования. Поэтому сетевые задачи – наиболее частый случай применения СПИ.

Х АРАКТЕРИСТИКИ З АДАЧИ

СЕРВЕРОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

Задачи, решаемые с помощью серверов последовательных интерфейсов, можно разделить на локальные и сетевые. Первые сводятся к подключению некоего устройства, ис пользующего последовательный интерфейс, к рабочей стан ции, не оборудованной COM портом. Вторые можно оха рактеризовать как удлинение или объединение последова тельных интерфейсов либо объединение устройств с по мощью сети Ethernet. Разберёмся сначала с локальными задачами. Не столь важно, почему у рабочей станции (сервера) может не быть COM портов или их просто оказалось недостаточно: COM порты могут легко сгореть, они могут быть не пре дусмотрены вовсе, как у современных коммерческих мате ринских плат, они могут поддерживать только протокол RS 232 и т.д. Добавить COM порт можно несколькими способами: установить плату расширения, использовать USB преобразователь или сервер последовательных ин терфейсов. Установка платы расширения – са мый дешёвый из этих способов, однако не всегда в компьютере есть свободный слот, что в первую очередь отно сится к встраиваемым компьюте рам и ноутбукам. Использование USB преобразователя, например ADAM 4561 производства Advantech, в данном случае признано наиболее популяр ным решением, особенно для ноутбуков. Такой способ может не подойти лишь для встраиваемых компьютеров, работающих в широком температурном

Серверы последовательных интерфейсов – широкий класс устройств, который представлен в ассортименте многих про изводителей коммуникационного оборудования. Однако специфика применения в различных областях промышлен ности предъявляет к исполнению и функциональности изде лий ряд требований, которым не все устройства способны удовлетворить. Для промышленных СПИ можно сформули ровать следующие требования: ● широкий диапазон рабочих температур; ● дублированное питание в широком диапазоне питающих напряжений, защита от помех, короткого замыкания, пе реполюсовки; ● оптическая изоляция последовательного интерфейса; ● поддержка оптической и медной среды передачи по Ethernet; ● удалённое управление, удобная настройка. Устройства, соответствующие перечислен ным требованиям, могут предложить очень немногие специализирован ные производители, среди них – тайваньская компания EtherWAN. Серверы после довательных интерфей сов серий SE5000 и SE6000 (рис. 1) обеспечи вают подключение от од ного до четырёх последователь Рис. 1. Промышленный ных устройств к сервер последовательных резервирован интерфейсов EtherWAN SE5300

СЕРВЕРОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

www.cta.ru

СТА 4/2010

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Таблица 1 Модели и основные характеристики серверов последовательных интерфейсов серий SE5000 и SE6000 SE6101, 6302/4

SE6110, 6320

SE5101, 5302/4

SE5110, 5320

МОДЕЛЬ Последовательный интерфейс

1/2/4 × RS 232/422/485

1/2 × RS 422/485

Оптическая изоляция

–

До 230 кбит/с

Скорость передачи

До 460,8 кбит/с

Интерфейс Ethernet

1/2 × 10/100Base Tx/Fx

Диапазон рабочих температур

–34...+75°С (SE6ххх), –10...+60°C (SE5ххх)

ной сети Ethernet с медной или оптической средой переда чи. Модели и типы подключений представлены в табл. 1. Обе серии поддерживают сетевые протоколы (TCP, UDP, DHCP, DNS, SSH и др.) и средства администрирования (WEB, Xport, Telnet, SNMP). Для предотвращения потерь данных при разрыве соединения в устройствах имеется бу ферная память объёмом 512 кбит. Устройства выполнены в компактных алюминиевых корпусах с возможностью мон тажа на DIN рейку и панель.

С ХЕМЫ

ПРИМЕНЕНИЯ СЕРВЕРОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

Схемы применения серверов последовательных интерфей сов разнообразны и зависят от выбранного режима работы устройства. Для СПИ производства EtherWAN их четыре: TCP, парное соединение, UDP, виртуальный порт. Универсальным можно считать режим TCP. Он подразумева ет объединение в сеть Ethernet от двух до восьми устройств, обменивающихся данными по протоколу TCP/IP. Достоин ство этого режима – гарантированная доставка данных, иск лючающая их потерю. Используется архитектура клиент – сервер, поэтому один из серверов назначается TCP серве ром, остальные – TCP клиентами (рис. 2). Топология сети и среда передачи значения не имеют, устройства находят друг друга по сетевым адресам. Настройку удобнее всего проводить в излагаемом далее порядке. Начинать надо с подключения всех СПИ к сети Ethernet. На рабочей станции запустить оригинальную ути литу EtherWAN – Xport. Утилита удобна тем, что находит все СПИ EtherWAN, отображает их текущий статус и позволяет настраивать. Сначала необходимо установить сетевые пара метры: IP адрес, маску подсети, адрес шлюза и сервера до менных имён DNS. Можно также использовать режим

ТСР клиент

ТСР клиент EtherWAN SE5x00

Данные

ТСР сервер

RS 485 10/100Base TX

Рис. 2. Соединение СПИ в режиме ТСР СТА 4/2010

Рис. 3. Настройка интерфейса СПИ через утилиту Xport

DHCP, тогда IP адрес устройству будет присвоен DHCP сер вером автоматически. Для вызова этих настроек выделяем устройство в списке и нажимаем кнопку Basic Network and Time settings. В простейшем случае нужно указать IP адрес (например, 192.168.1.хх) и маску подсети (например, 255.255.255.0). Далее устанавливаются режимы работы каж дого последовательного порта индивидуально. После нажа тия кнопки Serial Port Settings появляется окно, аналогичное показанному на рис. 3. Области настроек Step 1…4 идентичны для всех режимов работы (Virtual COM, TCP Cleint/Server, Pair Connection, UDP). Область Step 5 меняется относительно выбранного режима. Для режима TCP необходим минимум один TCP сервер и минимум один TCP клиент. Поэтому выбираем од но устройство и устанавливаем его в режим TCP Server в об ласти Step 1. Далее следуют настройки последова тельного интерфейса. По схеме на рис. 2 устройство подключено к рабочей станции – соответственно, параметры порта СПИ и COM порта рабочей стан ции должны быть идентичными. В данном случае это 9600/8/1/None/None/485. В окне Step 3 предла гается установить режим автоматического отключе ния TCP соединения при отсутствии ответа удалён ного хоста. Режим актуален, если несколько прило жений используют последовательный интерфейс. По умолчанию область Step 3 можно оставить пус той. Step 4 – установка разделителей, если таковые определены в протоколе передачи; по умолчанию разделители не устанавливаются. В области Step 5 предлагается назначить сетевые параметры для выбранного режима. Для TCP сервера понадобится

www.cta.ru

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

установить номер порта (по умолчанию – 601). Если устройство имеет 2 или 4 последовательных UDP UDP интерфейса и все работают в режиме TCP серве EtherWAN ра, то порты TCP должны быть разными по номе SE5x00 Данные ру. Тут же можно включить или не включить про токол совместимости с PC приложениями RFC2217 (зависит от приложения) и обязательно поставить флажок Restart Port, чтобы изменения UDP вступили в силу. В случае настройки TCP клиента в область Step 5 нужно ввести IP адрес и порт TCP сервера, а также интервал попыток подклю RS 485 чения. Настройки последовательных интерфей 10/100Base TX сов TCP клиентов (область настроек Step 2) зави сят от параметров устройств, подключённых к ним. После того как сервер и клиенты настроены, Рис. 5. Соединение СПИ в режиме UDP между последовательными устройствами устанав критичных ко времени доставки данных. Пример соедине ливается связь, как при обычном шинном соединении. ния СПИ в режиме UDP показан на рис. 5; здесь нет веду Режим парного соединения (Pair Connection) позволяет сое щих и ведомых устройств как в предыдущих вариантах, пере динить только два устройства между собой. Одно устройство дача осуществляется в широковещательном режиме. На является ведущим (Master), другое ведомым (Slave). Соеди стройка устройств производится сходным с режимом TCP об нение это логическое, поэтому физически они могут быть разом. При настройке последовательного интерфейса в окне соединены как патч кордом (коммутационным шнуром), Serial Port Settings выбирается режим UDP, для которого в так и через сеть. Соответствующий пример показан на рис. 4. полях Step 1...4 устанавливаются идентичные параметры свя зи. Сетевые параметры, индивидуальные для UDP, устанав Парное соединение Парное соединение ливаются в поле Step 5. В первый список Remote UDP Server list требуется ввести IP адреса и порты соседних СПИ, кото рым данное устройство будет отправлять датаграммы. Во Данные втором списке Source UDP client settings предлагается ука EtherWAN SE5x00 зать UDP порт настраиваемого устройства (по умолчанию – 601) и список IP адресов, с которых будут получаться дата граммы. Например, для двух устройств А (IP: 192.168.1.20 порт 602) и Б (IP: 192.168.1.22 порт 601) сетевые настройки RS 485 UDP будут такими: для А Server1 – 192.168.1.22:601, UDP – 10/100Base TX 602, Source IP1 – 192.168.1.22; для Б Server1 – 192.168.1.20:602, UDP – 601, Source IP1 – 192.168.1.20. После настройки также нужно перезагрузить порты Рис. 4. Режим парного соединения СПИ по сети Ethernet (Restart Port → OK). Режим виртуального порта (Virtual COM) предназначен для Настройка данной схемы во многом схожа с настройкой пре работы с последовательными интерфейсами на рабочих стан дыдущей. Для подключённых устройств настраиваются сете циях без использования аппаратного COM порта. Смысл в вые параметры (меню Basic Network and Time Settings), затем том, что с помощью утилиты Xport в операционной системе параметры последовательного интерфейса (меню Serial Port программно создаётся COM порт, который можно исполь Settings), где соответственно выбирается режим Pair Connec зовать как аппаратный. Сам же аппаратный порт находится tion. Настройки области Step 2 должны быть одинаковыми на удалённом СПИ. Схема возможного применения такого для Master и Slave. В поле Step 5 для одного устройства выби режима показана на рис. 6. На рабочей станции установле рается режим Slave, для чего нужно указать лишь номер TCP порта (можно оставить номер 601 по умолчанию). Для режима Master нужно указать IP адрес Slave Виртуальный порт TCP сервер устройства и упомянутый номер TCP порта. Пос EtherWAN ле перезагрузки обоих портов (Restart Port → OK) SE5x00 между двумя последовательными устройствами Данные устанавливается соединение. Режим UDP, исходя из названия, предполагает связь по одноимённому протоколу User Datagram Smart Smart TCP клиент COM1 COM2 Protocol. В этом случае доставка данных может осуществляться быстрее, с большей пропускной способностью, чем при TCP соединении. Между тем при возникновении проблем со связью дан RS 485 ные могут теряться, так как UDP не предусматри 10/100Base TX вает повторную пересылку в случае их потери на пути к адресату. Этот режим СПИ можно реко мендовать для протокола Modbus и приложений, Рис. 6. Использование режима Virtual COM при соединении СПИ по Ethernet www.cta.ru

СТА 4/2010

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

на утилита Xport, с помощью которой соз EtherWAN EtherWAN дан виртуальный порт Smart COM1, под СПИ 2 СПИ 1 SE5302 SE5302 ключённый к СПИ в режиме Virtual COM. Порт Smart COM2 подключён к СПИ в ре жиме TCP, что также возможно. Для на стройки СПИ в режиме Virtual COM нужно Ethernet выполнить первичные сетевые настройки Коммутатор (Basic Network and Time settings) аналогично EtherWAN предыдущим режимам, затем войти в на ЕХ63222 ADAM 4000 стройки Serial Port Settings и в области Step 1 EtherWAN выбрать Virtual COM. Параметры последо ПК 1 SE6100 СПИ 3 ПК 2 вательного интерфейса в областях Step 2...4 должны соответствовать настройкам уст ройства, подключённого к COM порту Последовательный интерфейс СПИ. Сетевые параметры области Step 5 10/100Base TX состоят из списка IP адресов допустимых клиентов, поля номера порта, количества клиентов и флага использования протокола Рис. 7. Схема соединения оборудования на тестовом стенде RFC2217. При установке флага Enable the онной системе. Аналогично создаётся виртуальный порт, accessible IP list доступ к данным будет разрешён только с обращающийся к TCP серверу. указанных в списке IP адресов, помеченных флагом Enable. Если поля оставить по умолчанию незаполненными, доступ будет открыт со всех IP адресов в сегменте. Номер TCP Т ЕСТИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЕРВЕРОВ порта должен быть уникальным для каждого из физических ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ COM портов устройства (по умолчанию – 601), количество Для тестирования выберем три типовые задачи, которые клиентов (Max client) – до 8. После перезагрузки порта могут быть доверены СПИ: можно делать виртуальный порт в системе. Создать его ● администрирование по последовательному порту (лабора можно в основном окне утилиты Xport щелчком правой торное оборудование, анализаторы и пр.); кнопки мыши на нужном порте в поле Device list, команда ● сбор данных (совместно с оборудованием распространён Auto mapping a COM port. После этого созданный СОМ ной серии Advantech ADAM 4000 и др.); порт появляется в списке COM list и, конечно, в операци ● обмен данными по протоколу Modbus RTU и ASCII.

99 СТА 4/2010

www.cta.ru

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

Рис. 8. Использование аппаратного и виртуального COM+порта для задач сбора данных

100

Схема тестового стенда представлена на рис. 7. В его соста ве два компьютера ПК 1 и ПК 2 (рабочие станции), про мышленный коммутатор Ethernet модели EX63222 производ ства EtherWAN, модуль с релейными выходами и интерфей сом RS 485 серии ADAM 4000 и, наконец, три сервера по следовательных интерфейсов EtherWAN серий SE5300 и SE6100. Модуль вывода подключён 2 проводным кабелем к первому порту сервера EtherWAN модели SE5320 (СПИ 2), имеющего оптическую изоляцию обоих интерфейсов RS 422/485 и подключённого к Ethernet. Станция ПК 1 под ключена и к Ethernet, и к одному из двух портов СПИ 1 (EtherWAN SE5302), который, в свою очередь, подключён к Ethernet и к COM порту коммутатора. Сервер СПИ 3 (мо дель EtherWAN SE6101) и станция ПК 2 соединены между собой последовательным интерфейсом и подключены к Ethernet. Для начала проверим, как справляются СПИ с задачей ад министрирования. Будем использовать COM интерфейс коммутатора и стандартную утилиту Hyper Terminal. Второй порт СПИ 1 устанавливаем в режим Virtual COM и задаём параметры последовательного интерфейса, указанные в ру ководстве к коммутатору (в порядке введения: 115200/8/n/1). Далее с помощью команды Auto mapping a COM port в ути лите Xport на ПК 1 создаём виртуальный порт COM5. Запус каем Hyper Terminal, выбираем порт COM5 и аналогичные параметры последовательного интерфейса. После открытия сеанса связи коммутатор отвечает на команды так же, как ес ли бы был напрямую подключён к COM порту компьютера. С тем же успехом можно настроить СПИ 1 как TCP сервер. Тогда из ПК 1 либо ПК 2 можно будет подключаться через виртуальный порт или через любое программное обеспече ние, использующее интерфейс Winsock. Примером может быть тот же Hyper Terminal, где вместо порта СОМ можно выбрать TCP/IP Winsock. Если указать IP адрес и TCP порт, присвоенный СПИ 1, то командный режим работает анало гично. Для проверки режима парного соединения установим СПИ 1 в режиме Pair Connection как Master и укажем адрес СПИ 3 (в данном случае 192.168.1.10, порт 601). Для СПИ 3 назначаются следующие режимы и параметры: Pair Connec www.cta.ru

tion, Slave и порт 601. После перезагрузки портов СПИ 1 и СПИ 3 и установления сеанса в Hyper Terminal коммутатор начинает отвечать на команды. Выбор Master и Slave произ вольный. При смене ролей связь сохраняется. Для эмуляции задач сбора данных возьмём известную серию модулей ввода/вывода ADAM 4000, использующих интерфейс RS 485. Модуль релейного выхода подключён к СПИ 2 (рис. 7). На станции ПК 2 установим утилиту ADAMView, которая может сканировать адреса по RS 485 и отображать состояние входов и выходов найденных мо дулей. Проверим работоспособность по протоколу TCP. Для этого СПИ 2 переводим в режим TCP сервера, пара метры настройки последовательного интерфейса анало гичны параметрам настройки модуля ADAM – 9600/8/1/None/None/RS 485, номер TCP порта – 601, мак симальное число клиентов – 3. СПИ 3 будет выполнять роль TCP клиента, настройки последовательного интер фейса те же, сетевые настройки СПИ 3 – 192.168.1.22:601. Запускаем на ПК 2 утилиту ADAMView и выбираем порт COM4, к которому по RS 485 подключён СПИ 3. Запуска ем поиск устройств, утилита находит модуль ADAM, как если бы он был подключён к СОМ4 напрямую. В открыв шейся вкладке утилиты можно управлять состояниями ре ле на модуле, индикаторы на самом устройстве подтверж дают выполнение производимых действий. В роли TCP клиента может выступать не только физичес кое устройство, но и виртуальный порт. Для иллюстрации создадим через утилиту Xport на ПК 2 виртуальный порт, подключённый к тому же серверу (192.168.1.22:601). В про цессе ему присваивается следующий по порядку после фи зических портов номер – 7. Перезапускаем утилиту ADAMView и запускаем сканирование появившегося в спис ке порта COM7. Модуль ADAM появляется в системе под ключённым к порту 7. В данном случае им можно с одинако вым успехом управлять с двух портов – реального и вирту ального (рис. 8). Аналогично можно настроить и станцию ПК 1. Выбор сервера и клиента является произвольным: в роли сервера может выступать СПИ 3 или СПИ 1 – корректная работа удалённого модуля обеспечивается в обоих случаях. Для эмуляции передачи данных по протоколу Modbus бу дем использовать рабочие станции ПК 1 и ПК 2 в качестве Modbus Master и Slave и соответственно СПИ 1 и СПИ 3 в качестве гетерогенной среды передачи. Протокол Modbus будем эмулировать программой ModScan, состоящей из при ложения ModScan32, выступающего в роли Master, и ответ ного приложения ModSim32, заменяющего Slave устрой ство. Программу ModScan установим на обе станции (ПК 1 и ПК 2). СПИ 1 и СПИ 3 свяжем в режиме TCP как сервер и клиент соответственно. Настройки последовательных ин терфейсов в порядке установки в утилите Xport выглядят так: 9600/8/1/None/None/RS 485. Поля настроек Step 3 и Step 4 оставлены по умолчанию. Сетевые настройки для СПИ 1: TCP Server, номер TCP порта – 601, IP адрес – 192.168.1.20. Сетевые настройки для СПИ 2: TCP Client, Remote IP – 192.168.1.20:601. На ПК 2 запускаем приложение ModSim32. В меню File выбираем New, в меню Connection – Connect COM2 (на стенде СПИ 3 подключён ко второму COM пор ту ПК 2). На станции ПК 1 запускаем ModScan32, устанав ливаем значение 0100 (значение по умолчанию в ModSim32) для параметра Address. Значение MODBUS Point Type в обо их приложениях соответствует HOLDING REGISTERS. Да

СТА 4/2010

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

лее выбираем в меню Connection → Connect, устанавлива ем порт COM4 (к нему подключён СПИ 1); параметры последовательного интерфейса остаются соответственно 9600/8/1/None/None. Во вкладке Protocol Selections выбира ем режим Transmission Mode – RTU, устанавливаем макси мальное время ожидания ответа от Slave устройства (Slave Response timeout) 250 мс, параметр Delay Between Polls вы ставляем равным 250 мс. Сохраняем установленные парамет ры, ModScan32 начинает посылать запросы на Slave устрой ство (ModSim32). Счётчик отправленных запросов и полу ченных ответов отображается в окне ModScan32. В данном случае сеть работала корректно и оба счётчика показывали одинаковые увеличивающиеся значения. Смена ролей ПК 1 и ПК 2 на противоположные (Slave и Master соответственно) не повлияла на результат. Опытным путём было установлено минимальное значение параметра Slave Response Timeout 180 мс (столько в данном случае тратится на преобразование и передачу сигнала). При снижении значения параметра до 160 мс часть запросов теряется, то есть сеть начинает рабо тать неустойчиво. Для крупной сети Ethernet время на пере сылку пакетов данных от сервера к клиенту и обратно может возрасти. Режим передачи по Ethernet между серверами можно изме нить на режим UDP. Для этого параметры последовательно го интерфейса остаются прежними, а сетевые параметры в режимах работы СПИ 1 и СПИ 3 меняются соответственно схеме применения UDP, описанной ранее. Теоретически время ответа Slave устройства на запросы от Master должно снижаться, но это будет заметно только в случае большой и загруженной Ethernet сети. В данном тесте работа серверов в режимах TCP и UDP одинаково успешна.

Подключить Modbus Master или Slave можно через вирту альный COM порт. Однако в ходе теста СПИ в режиме Virtual COM передачу наладить не удалось. Предположитель ная причина – несовместимость программы ModScan с про токолом RFC2217, который используется в данном режиме. Догадку подтверждает работоспособность Modbus при назна чении режима TCP в СПИ: виртуальный порт, подключённый к серверу в режиме TCP, не использует RFC2217 и передаёт данные Modbus без проблем. Ввиду описанных особеннос тей применение режима Virtual COM для протокола Modbus возможно только при предварительном тестировании.

З АКЛЮЧЕНИЕ В статье рассмотрены типовые задачи, решаемые с по мощью серверов последовательных интерфейсов, техничес кие характеристики данного оборудования на примере про дукции компании EtherWAN и примеры использования. Круг задач, реализуемых с помощью СПИ, широк и разнооб разен, и заранее эмулировать каждую задачу невозможно. Одну из возможных (хоть и решаемых) проблем несовмести мости удалось выявить в ходе мини теста, хотя в целом уст ройства от EtherWAN показали завидную работоспособ ность. Упомянутые в статье модели СПИ SE5300 и SE6100 выпус каются компанией EtherWAN серийно и уже достаточно ши роко применяются на реальных объектах в США, Европе, Азии, а также в России. ● Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ Телефон (495) 234"0636 E"mail: info@prosoft.ru

101 СТА 4/2010